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摘要
你听说过甲烷气体吗？也许你对甲烷这个词并不熟悉，但事实上，这种气体广泛存在于我们的日常生活、大气层和太阳系中。甲烷气体能有效地捕捉热量，而且它还非常容易燃烧。所以，甲烷是人类最重要的燃料之一。此外，大气中的甲烷还有助于调节地球上的气候。然而，在过去的200年里，大气中的甲烷含量一直在稳步增加，这让科学界感到担忧。令人惊讶的是，最近的研究表明，甲烷的水平是由微小的微生物调节的。在这篇文章中，我们鼓励你了解甲烷循环、产生和利用甲烷的微生物，以及为什么需要对这种气体进行更多的研究。
什么是甲烷气体？它为什么对人类很重要？
甲烷是一种简单的化合物，由一个碳原子和四个氢原子（CH4）形成。甲烷以气体的形式存在于环境中，是人类社会最重要的化石燃料之一。当甲烷分子分解时，会产生热量。由于这种特性，许多家庭都是以甲烷气体为燃料，用来做饭、烧水、取暖。甲烷还可以被收集并转化为电力，作为一种天然能源。甲烷还存在于动物的打嗝和放屁中（是的，你没看错，是放屁！）。甲烷是消化道中食物分解时产生的最丰富的气体之一。综上所述，甲烷是一种常见的大气气体。值得注意的是，地球上甲烷的产生和分解过程主要是由微生物驱动的。
自十八世纪工业革命开始以来，甲烷引起了科学界的关注，因为甲烷在大气中的浓度几乎增加了两倍。重要的是，一些研究表明，与地质时间尺度相比，最近大气中甲烷的增加速度更快。这表明人类活动对甲烷排放有至关重要的影响。大气中的甲烷气体能够捕捉来自太阳的热能，并阻止这些热能返回空间，从而产生了温室效应。这种热捕捉能力非常重要，因为它帮助地球保持足够的温度以维持生命活动。然而，过多的甲烷积累会影响气候，导致全球变暖。今天，甲烷循环是一个重要的研究课题，因为我们需要更深入地了解地球上所有甲烷的来源以及它是如何转化的。
地球上有两种已知的甲烷生成形式，称为非生物甲烷源（non-biological source）和生物甲烷源（biological source）。非生物甲烷的生成没有生命体的参与。非生物甲烷可由火山释放，或在高压和高温的地下产生。这些地质过程通常涉及岩石受热和水熔化后的转化（图1）。生物甲烷的产生只由微生物完成。据估计，释放到大气中的甲烷有90-95%是来自生物的，完全是由微生物活动产生!生物产甲烷的过程称为methanogenesis。产甲烷微生物被命名为产甲烷古菌（methanogenic archaea）或简称产甲烷菌（methanogens）。产甲烷菌具有复杂的新陈代谢，使它们能够在生产生存所需的能量时产生甲烷。有趣的是，大气中的氧气对一些产甲烷菌是有毒的，所以这些微生物一般存在于氧气有限或缺乏的地方，如地下、湖泊、泻湖、湿地和海洋底部的沉积物中，甚至在各类动物的肠道内，包括蠕虫、白蚁、牛和人类。甲烷生成是食物链中的最后一步，在厌氧条件下发生。这种气体的产生是有机物完全降解的结果，其中复杂的分子被降解成最基本的化合物，然后被产甲烷菌转化为甲烷。这意味着在各种环境中，动植物等死亡的遗体都会被微生物慢慢分（图1）。这使得营养物质回到食物链中，最后一步涉及甲烷的产生。
图1 地球上甲烷的产生来源和甲烷分解
甲烷从环境中的清除也是通过非生物方法和生物方法进行的。大气中的甲烷主要是通过非生物方法清除的，发生在大气中被称为对流层和平流层的区域。这些区域是地球大气的最低层，分别位于海平面以上0至10公里和10至50公里。在这些区域，甲烷在太阳紫外线的作用下，通过化学反应被分解。据计算，大气层中90%以上的甲烷是通过这一过程分解的（图1）。地球上的生物去甲烷过程，虽然看起来不可思议，但完全是由微生物完成的!有一些微生物会“吃"甲烷来获取能量。这个过程被命名为甲烷氧化（methanotrophs），进行这个过程的微生物被称为甲烷氧化菌。甲烷氧化菌存在于产甲烷的生态系统中，主要是在土壤或沉积物的表面下，因此大气中的甲烷通常不会与这些微生物接触。由于甲烷氧化菌不能分解大气中的甲烷，所以就会积累起来。然而，这里发生了一个非常有趣的现象：土壤中产生的甲烷被困于土壤颗粒之间，实际上是产甲烷菌将气体带到那里供其消耗。这就阻止了甲烷从土壤中释放到大气中，大大影响了大气中的甲烷含量。举个例子，据估计，在湿地生境中产生的甲烷中，约有40-60%在逃逸到大气中之前就被微生物消耗掉了。这意味着甲烷氧化菌在土壤中非常重要，可以防止温室气体释放到大气中，从而减缓全球变暖。无论是在有氧还是无氧的环境中，甲烷营养菌都能“吃掉”甲烷。耐氧的甲烷营养菌，实际上在分解甲烷的过程中利用了氧气。不利用氧气分解甲烷的甲烷氧化菌，更喜欢利用其他外来的能源，甲烷伴随着一部分有机物或硫，氮，甚至某些金属（例如铁或锰）。在这里，甲烷是大餐，其他元素是补充。有趣的是，这一过程最早是由地学证据推测出来的，但直到2000年代初仍然难以捉摸，因为要在实验室里培养这些微生物来研究它们是极其困难的。 在地球上，微生物在甲烷的循环利用中发挥了重要作用。因此，我们可以说，甲烷与我们地球上生命的存在息息相关。令人惊奇的是，最近通过望远镜获得的证据发现，在太阳系的其他地方也有甲烷，包括火星和土星。这是非常令人兴奋的，我们不禁要问，在这些地方是否有某种微生物在生产或消耗这些甲烷呢!
图2 如果太阳系其他部分存在甲烷，那么微生物也可能存在吗？
火星上的甲烷最早是在2000年初用地球上的望远镜发现的，火星探测器证明了它的存在（图2）。科学界一直想知道这种甲烷是否来源于生物过程，但目前收集到的所有科学证据都表明，这种甲烷来自非生物源。目前，火星表面没有生物活动的证据，但研究仍在继续，因为我们知道，甲烷也是一些微生物生命的能源。
Cassini-Huygens和 Voyage这两个航天器一直在研究土星。这两个航天器都发现了有机分子的证据，包括甲烷（图2）。这些卫星表面有很多水和冰，可能地球上的极地冰盖相似。虽然看起来很奇怪，但数据表明那里有液态甲烷、乙烷和氮气形成的湖泊和河流，上面覆盖着水冰岩石。
对地球上极端环境的探索如南极冰架，可以帮助我们了解地外甲烷的起源和演变。目前，科学家们正在研究微生物如何在永久冰雪覆盖的生态系统中生存，如果我们能更好地了解地球上极端环境中的甲烷循环，那将有助于我们了解其他星球的极端环境中可能存在的甲烷发生和甲烷氧化现象，从而预测在其他行星体上栖息的生物中可能就有产甲烷菌和甲烷氧化菌......因此我们在宇宙中并不孤单，而是与各种各样的微生物共享宇宙!
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